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• 结构化学简介 • 原子结构与性质 • 分子的电子结构与性质 • 晶体结构与性质 • 结构化学实验结构化学的定义
总结词
结构化学是一门研究物质结构与性质之间关系的科学。
详细描述
结构化学主要研究原子的排列方式、电子分布和分子间的相互作用，以揭示物质的基本性质和行为。
晶体的电导率、热导率等性质取决于其内部结构，不同晶体在这些方面表现出不同的特性。
晶体的力学性质
晶体材料的应用
晶体的硬度、韧性等力学性质与其内部原子排列密切相关，这些性质决定了晶体在不同工程领域的应用价值。
晶体材料广泛应用于电子、光学、激光、半导体等领域，如单晶硅、宝石等。了解晶体的性质是实现这些应用的关键。
分子的选择性
分子的选择性是指分子在化学反应中对反应物的选择性和对产物的选择性。选择性强的分子可以在特定条件下优先与某些反应物发生反应，产生特定的产物。
04
晶体结构与性质
晶体结构的基础知识
晶体定义与分类
晶体是由原子、分子或离子在空间按一定规律重复排列形成的固体物质。根据晶体内部原子、分子或离子的排列方式，晶体可分为七大晶系和14种空间点阵。
电子显微镜技术
• 总结词：分辨率和应用 • 电子显微镜技术是一种利用电子显微镜来观察样品的技术。相比光学显微镜，
电子显微镜具有更高的分辨率和更大的放大倍数，因此可以观察更细微的结构和组分。 • 电子显微镜技术的分辨率一般在0.1~0.2nm左右，远高于光学显微镜的分辨率（约200nm）。因此，电子显微镜可以观察到更小的晶体结构、病毒、蛋白质等细微结构。 • 电子显微镜技术的应用范围很广，例如在生物学领域中，可以用于观察细胞、病毒、蛋白质等生物样品的结构和形态；在环境科学领域中，可以用于观察污染物的分布和形态；在材料科学领域中，可以用于观察金属、陶瓷、高分子等材料的表面和断口形貌等。

结构化学3

j ci i c11 c2 2 cn n
i 1
n
(3-20)
24
（3）成键原则
对称性一致原则
成键三原则
能量相近原则
最大重叠原则
25
（4）电子构造原理
能量最低原理
电子排布
Pauli不相容原理
Hund规则
26
3.2.2 成键三原则的理论基础
B.库仑积分Haa（coulomb integral）
H aa 1 2 1 1 1 a H a d a [( ) ] a d 2 ra rb R 1 1 1 1 a ( 2 )a d a a d a a d 2 ra rb R EH
1 2 m Za 2 i r Vei V pi j (i ) E j (i ) j (i ) a 1 i
(3-19)
j (i ) 就称为分子轨道（分子中单电子波函数）， j (i ) E
称为分子轨道能量。
23
（2）LCAO-MO（linear combination of atomic orbitals）分子轨道是原子轨道的线性组合，即
系的 Hamilton 算符为:
Z a Zb 1 n 2 m n Za 1 H i 2 i=1 Rab a i rai i j r a b ij

(3-18)
22
与讨论多电子原子结构的方法一样，仍采用单电子近似（轨道近似）将体系总的 Hamilton 算符及波函数拆分成单电子的 Hamilton 算符及单电子波函数。分子中单电子的 Schrö dinger 方程为：
H aa E H ba ESba H ab ES ab H bb E 0

《结构化学》PPT课件

(2)反键轨道具有和成键轨道相似的性质，每一轨道也可按Pauli不相容原理、能量最低原理和Hund规则安排电子，只不过能级较相应的成键轨道高，轨道的分布形状不同。
(3)在形成化学键的过程中，反键轨道并不都是处于排斥的状态，有时反键轨道和其他轨道相互重叠，也可以形成化学键，降低体系的能量，促进分子稳定地形成。利用分子轨道理论能成功地解释和预见许多化学键的问题，反键轨道的参与作用常常是其中的关键所在，在后面讨论分子的化学键性质时，将会经常遇到反键轨道的作用问题。
方程
i i
ii
分子体系总能量 E = ∑Ei
2．分子轨道是由分子中原子的原子轨道线性组合(li near combination of atomic orbitals， LCAO)而成。
由n个原子轨道组合可得到n个分子轨道，线性组合系数可用变分法或其它方法确定。由原子轨道形成的分子轨道，能级低于原子轨道的称为成键轨道，能级高于原子轨道的称为反键轨道，能级等于或接近原子轨道的一般为非键轨道。 3．两个原子轨道要有效地组合成分子轨道，必须满足对称性匹配，能级相近和轨道最大重叠三个条件。其中对称性匹配是先决条件，其它影响成键的效率。 4．分子中电子按 Pauli不相容原理、能量最低原理和Hund规则排布在MO上
三键三键
CO、NO的电子组态分别如下： CO [( 1σ)2 ( 2σ)2 ( 3σ)2 (4σ)2 (1π)4 (5σ)2 ] NO [( 1σ)2 ( 2σ)2 ( 3σ)2 (4σ)2 (1π)4 (5σ)2 (2π)1 ]
CO :
CO与N2是等电子体，
一样也是三重键：一个σ键，二个π键，但是与N2分子不同的是有一个π键为配键，这对电子来自氧原子。(如右图所示）CO作为一种配体，能与一些有空轨道的金属原子或离子形成配合物。例如同ⅥB，ⅦB和Ⅷ 族的过渡金属形成羰基配合物：Fe（CO)5、Ni(CO)4 和Cr(CO)6等。

结构化学课件3-1

∂E 1 ∂Y Y ∂Z = − 2 =0 ∂cb Z ∂cb Z ∂cb
∂Y ∂Z −E = 0 ( 2) ∂cb ∂cb
消去Z 消去Z，由Y/Z=E, 得： ∂Y − E ∂Z = 0 (1) ∂ca ∂ca
将Y、Z的表达式代入(1) 得：的表达式代入(
∂(ca Haa +2cacbHab +c Hbb) ∂(ca Saa +2cacbSab +c S ) −E =0 ∂ca ∂ca
由于分子轨道在一定程度上继承和反映原子轨道的规律，由于分子轨道在一定程度上继承和反映原子轨道的规律，所以可用原子轨道的线性组合作为组成该分子的变分函数是合理省时的。是合理省时的。
② 解久期行列式确定能量代入变分法原理公式中，将Ψ代入变分法原理公式中，得：代入变分法原理公式中
E(ca, cb ) =
学习要点
⑴变分法解H2+体系，并讨论共价键。变分法解H 体系，并讨论共价键。 ⑵形成分子轨道满足的三个条件；σ、π、δ轨道的特点形成分子轨道满足的三个条件；同核、异核双原子分子的分子轨道表示、能级示意图。 ⑶同核、异核双原子分子的分子轨道表示、能级示意图。 (4)分子光谱
3.1 化学键概述
化学键：分子或晶体中两个或多个原子间强烈相互作用通过化学键：这种相互作用，形成相对稳定的分子或晶体。这种相互作用，形成相对稳定的分子或晶体。常见的化学键有离子键，共价键和金属键。有离子键，共价键和金属键。离子键：指由两种金属性和非金属性相差较大的元素的原子，离子键：指由两种金属性和非金属性相差较大的元素的原子，因相互作用而发生电子得失后，形成的阴阳离子之间，因相互作用而发生电子得失后，形成的阴阳离子之间，靠静电作用而产生的化学键。靠静电作用而产生的化学键。共价键：指当两种金属和非金属性相差较小（共价键：指当两种金属和非金属性相差较小（或得失电子的能力相差较小）的元素的原子，能力相差较小）的元素的原子，因相互作用而产生共用电子或电子云重叠）而形成的化学键。对（或电子云重叠）而形成的化学键。金属键：指在金属晶体中，金属键：指在金属晶体中，金属阳离子与自由电子之间较强烈的作用。它存在于金属单质和合金中。较强烈的作用。它存在于金属单质和合金中。

结构化学第三章课件

构成一正交归一的完备集合，即
Ĥ i = Ei i
其能量：
E0≤E1≤E2≤……, Ei－E0≥0
则有那么任意波函数可按Ĥ的本征函数 i 展开
=Σci i ｛ i, i = 0, 1, 2…… ｝
则，〈E〉=∫*Ĥd=∫∑ci*i* Ĥ∑ci i d=∑ci*ci Ei 因ci*ci 恒为正值，∑ci*ci =1 (∫*d=1)，
3.2 价键理论 3.2.1 H2的Schrödinger方程的变分求解 3.2.2 电子配对法的量子力学基础 3.2.3 原子轨道的杂化
3.3 MO理论与VB理论的比较 3.4 双原子分子的光谱项
3.4.1 分子光谱项及支项 3.4.2 非等价组态的光谱项 3.4.3 等价组态的光谱项 3.4.4 混合组态的光谱项 3.4.5 分子光谱项的宇称和反映对称性
由于H2+的两个核是等同的，a，b是归一化的，令：
Haa
aHˆ ad
b
Hˆ
b
d
Hbb
^
^
H ab a H bd b H ad Hba
Saa a ad b bd Sbb 1
Sab a bd b ad Sba
E(ca , cb )
ca2Haa 2cacb Hab cb2Hbb ca2Saa 2cacbSab cb2Sbb
β=EH·Sab+K β与Sab有关，是R的函数，
决定了原子结合成分子倾向的大小，
分子能量降低的程度。 ∵ Hab=Hba
电子在两个原子轨道间交换位置，
故称交换积分或共振积分。
（能量为负，使分子成键）（S. J. K 可由椭球坐标求得）
④ 分子轨道能量
EⅠ= Haa+Hab /（1+Sab） =α+β/（1+S） = （EH + J + EHS + K）/（1+S） = EH +（J+K）/（1+S）

结构化学课件第三章

得到ca=cb
将E2代入
得到ca = –cb
Structural Chemistry
第三章共价键和双原子分子的结构化学
3.2.2 变分法解薛定谔方程
ca=cb，相应的波函数
1 ca a b
利用波函数归一化条件，
2 1 a
ca= – cb，相应的波函数
2 c a b
为使得变分原理得到满足，必须调整系数ci使之满足下面求极值的各个方程。
E E E E ... ... 0 c1 c2 ci cm
由此求出 E 值最低时对应的线性组合系数ci值，进而得到波函数φ。
Structural Chemistry
第三章共价键和双原子分子的结构化学
Structural Chemistry
第三章共价键和双原子分子的结构化学
3.2.2 变分法解薛定谔方程
由于H2+的两个核是等同的，φa和φb 是归一化的
H aa a H a d b H b d Hbb
H ab a H b d b H a d H ba

1 2 1 1 1 E ra rb R 2
Structural Chemistry
第三章共价键和双原子分子的结构化学
3.2.2 变分法解薛定谔方程
用任意一个满足体系边界条件的品优波函数求得的能量平均值，将大于或等于基态的能量E0。
变分原理
c11 c22 ... cmm
3.2-2
c c2 ... cm 1
2 1 2 2
注意：变分函数为实函数
Structural Chemistry

结构化学(第三、四节)

6
二、分子间力
分子间作用力是分子与分子之间的一种弱的相互作用力，是一种短程吸引力，与分子间距离的6次方成反比，且随分子间距离的增大将很迅速减小。根据力产生的特点，分子间力可分为色散力、诱导力和取向力三种类型。
7
(1) 取向力（orientation force）：当极性分子相互靠近时，除存在色散力和诱导力作用外，由于它们固有偶极之间同性相斥、异性相吸的静电作用，而使它们在空间按异极相邻形式定向排列。这种在极性分子固有偶极间产生的吸引力称为取向力。取向力与分子的偶极矩的平方成正比，即分子的极性越大，取向力越大。但与绝对温度成反比，温度越高，取向力越弱。
21
2．物质的溶解性物质的溶解性也与分子间作用力有关，主要表现为： (1) 相似相溶：分子极性相似的物质易于互相溶解。如I2易溶于CCl4、苯等非极性溶剂，但难溶于水。这是由于I2为非极性分子，与苯、CCl4等非极性溶剂有着相似的分子间力（色散力）。而水为极性分子，分子间除色散力外，还有取向力、诱导力以及氢键。要使非极性分子能溶于水，必须克服水的分子间力和氢键，需要消耗能量，因而较为困难。 (2) 分子间能形成氢键的物质易互相溶解。例如乙醇、羧酸等有机物都易于溶于水，因为它们与H2O分子之间能形成氢键，使分子间互相缔合而溶解。
14
三、氢键

在许多分子间还存在着与分子间力大小相当的另一种作用力——氢键（hydrogen bond）。与某一电负性大的原子X以共价键相结合的氢原子，可与另一个电负性大的原子Y之间形成一种弱键，这种键称为氢键。氢键通常可用X—H…Y表示，其中X，Y代表F、O、N等电负性大、原子半径较小的原子。X和Y可以是同一种元素（如O—H…O，F—H…F 等），也可以是两种不同元素（如N—H…O等）。

结构化学课件

此外，他还把价键理论进一步扩展到金属和金属络合物方面，并且阐明和发展了有关原子核结构和裂变过程本质的理论。他的研究工作涉及面较广，尤其是他的化学键理论，解释和阐明了许多复杂化合物的空间构型和本质特征，从而解决了过去长期未能解决的分子结构方面的许多问题。50年代后，他的工作主要是把理论上的研究成果进一步应用于生物学和医学等方面。他的研究成果不仅对化学的各个基本领域产生巨大影响，而且深深扩展到生物学、生理病理学和医学等领域，也为分子生物学的崛起和发展做出了积极贡献。由于他在化学方面，特别是化学键的性质和复杂分子结构方面的贡献，1954年获得诺贝尔化学奖，又由于对世界和平事业所作出的贡献，1962年获得诺贝尔和平奖。
二、化学键理论简介
从二十世纪初发展至今，化学键理论已形成三大流派：分子轨道理论(Molecular Orbital)、价键理论 (Valence Bond) 和密度泛函理论 (Density Functional Theory)。
1. 分子轨道理论：
从 20 世纪 30 年代初，由 Hund ， Mulliken ， Lennard-Jones 开创， Slater， Hü ckel， Pople发展至今。该方法的分子轨道具有较普通的数学形式，较易程序化。六十年代以来，随着计算机的发展，该方法得到了很大的发展。如 Pople 等研制的 Gaussian从头算程序, 已成为当今研究化学键理论的主流方法，以后我们将主要介绍该方法。
The Nobel Prize in Chemistry 1998
"for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions"

【有机化学】第三章立体结构化学【课件PPT】

要多一些，最多可达 2n 。
氯代苹果酸 HOOCC*H(OH)C* H(Cl)COOH
COOH
COOH
COOH
COOH
H
OH HO
H
Cl Cl
HH
OH HO
H
H Cl
HH
Cl
COOH
COOH
COOH
COOH
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
氯代苹果酸
*
*
HOOCCH(OH)CH(Cl)COOH
COOH
COOH
COOH
COOH
（4）诱导结晶拆分：在外消旋体的饱和溶液中，加入一定量的一种旋光体的纯晶体作为晶种
（5）化学拆分法：如果在一对映体分子中引入非手性组分，形成新的分子仍然是一对对映体
如果在一对映体分子中引入手性组分，形成新的分子是一对非对映异构体，可以通过物理方法给予分离。
非对映异构体
仪器拆分（GC, HPLC…）
旋光性和比旋光度构型表示（ Fischer投影式）构型的标记 R/ S法：
根据手性碳原子上不同的四个原子或基团的空间排列顺序
对称中心：
分子中有一个点，从分子中的任何一个原子出发向这个点作一直线，再将直线延长，则在该点等距离处可以遇到一个同样的原子，此点为对称中心
1,3－二氯－2,4－二氟环丁烷
4、பைடு நூலகம்光性和比旋光度
旋光性
能使偏振光的振动方向发生偏移的介质称为旋光性物
质或光活性物质。
α 旋光度
尼克尔棱镜
旋光性物质
团在空间的伸展方向不同
构象异构体：原子之间的连接顺序相同，但通过σ键
的转动而引起分子中各原子在空间的伸展方向不同

结构化学第3章78PPT课件

主讲：
主讲：
3.1 化学键概述
3.2 H2+的结构和共价键的本质
3
3.3 分子轨道理论和双原子分子的结构
3.4 H2分子的结构和价键理论
3.5 分子光谱
3.6 光电子能谱
主讲：
3.3.3 同核双原子分子的结构(p84) 原子轨道线性组合成分子轨道的3个原则 (p80line4) 1）对称性匹配 2）能量近似 3）最大重叠
3.5.2 双原子分子的转动光谱(p97)
转动惯量 (I)
I miri2
模型：刚性转子（分子转动时核间距不变）
转动惯量:I = µ r2 Mˆ 2 E
2I
主讲：
M 2 ＝ J(J1)4h 22 J0,1,2,
转动量子数
ERJ(J1)8h 2 2IJ(J1)Bhc
c h E E ( J 1 c ) h E ( J ) 2 8 h 2 I c ( J 1 ) 2 B ( J 1 ) h
(σ2s)2 (σ)2 (π2p)4
图3.3.9 HF分子轨道能级(p88)
成键轨道
主讲：
作业：p114 3.2 3.5 3.7 3.8 3.14
主讲：
3.3.5 双原子分子的光谱项(p88)
略
主讲：
3.4 H2的结构和价键理论
3.4.1 价键法对氢分子的解(p90)
1 r12 2
ra1
ra2
rb2 rb1
A
R
B
图3.4.1 H2分子的坐标
主讲：
3.4.2 价键理论
将分子中的共价键视为电子配对形成的定域键, 也称电子配对法
价键理论的要点(p92): 1. 若A，B原子的外层原子轨道中各有n个未成对的电子，则这些电子能两两

结构化学

绪论
3 学习结构化学的方法
结构化学课程是在学过高等数学，普通物理，无机化学，分析化学等课程的基础上，进一步讲授微观物质的运动规律。由于该课程需要的数理基础知识多，概念又比较抽象，所以，初学者在开始学习时常有雾里看花，无所适从之感。针对结构化学课程的特点，必须探索出适合自己的学习方法，作为学习结构化学普遍性的学习原则，应注意以下几点。
2.2.3 新材料、新药的合成
7
结构化学精品课程
绪论
2.2.1 反应机理的研究
反应机理研究是一个既古老而又有很多问题尚不清楚的学科。美国 R.Hoffmann 和日本 Kenich Fukui分别提出了分子轨道对称守恒原理和提出前线轨道理论，为此他们获得了1981 年诺贝尔化学奖。由李远哲教授等创立的交叉分子束反应是研究微观反应机理的重要实验手段，为此他们获得了1986年诺贝尔化学奖。
3.3 广泛联系无机、有机、物化中遗留的问题
由于该课程涉及的数理公式多，概念抽象，很容易使初学者感到枯燥、无味，失去学习的兴趣。因此，在学习过程中必须广泛联系无机、有机、物化中遗留的问题，用结构化学的观点、知识分析解决这些问题是提高学习兴趣的有效方法。
全满、半满的稳定性：例如：
各种效应：
离域效应、量子力学隧道效应、红移效应、取代基团的定位效应
14
结构化学精品课程
绪论
超导材料: YBa2Cu3O7的结构（Y:Ba:Cu=1:2:3规则）
以钙钛矿型结构为基本单元，通过原子的空缺、置换、位移变形、堆叠组合等多种型式，可以描述多种氧化物超导相的结构. 例如，钇钡铜氧高温超导体就是一种缺氧钙钛矿型三倍超格子结构，属正交晶系.
15
Cu O Ba Y

结构化学课件3-2

先考虑相同的原子轨道形成分子轨道的情况 (1s和1s; 2s和2s; 2p和2p等；和和和等 1s和2s 满足对称性匹配，但能级不相近，所以不能组合和满足对称性匹配，但能级不相近，所以不能组合)
3σu (σ2p*) 1πg (π2p*) 2Pz 2Py 2Px 1πu (π2p) 3σg (σ2p) 2σu (σ2s*) 2s 2σg (σ2s) 1σu (σ1s*) 1s AO 1σg (σ1s) MO 1s AO 2s 2Px 2Py 2Pz
1s
1s σ1s
1s
H2
+
σ1s * 1s σ1s
He2??
② π-MO：沿键轴有一个节面的：沿键轴有一个节面的MO 两原子轨道“肩并肩” 两原子轨道“肩并肩”形成的分子轨道例如：例如：键轴方向成键π-MO --- πu (π p)，Ψp +Ψp 成键，反键π-MO --- πg (π p*) ，Ψp – Ψp 反键有节面垂直键轴方向没有节面
的节面的MO ③ δ-MO：通过键轴有两个为0的节面的：通过键轴有两个Ψ为的节面的若键轴为Z轴只有两个或两个d 若键轴为轴，只有两个dxy或两个 x2-y2轨道有可能形成
实线代表正值，实线代表正值，虚线代表负值
3. 同核双原子分子的结构
(1) 同核双原子分子的能级顺序一同核双原子分子的能级顺序一
ψb
Eb
B
③ 轨道最大重叠原则当两个AO可以组成可以组成MO，成键的强弱由交换积分当两个可以组成， ∣β∣决定，∣β∣越大，成键轨道相对于 ∣决定， ∣越大，成键轨道相对于AO能量降得能量降得越多，键越强。越多，键越强。
轨道重叠程度越大（S越大越大）轨道重叠程度越大（S越大）

结构化学绪论 ppt

结构化学告诉你 —— “为什么”！
24
绪论
参考书目
1. 周公度，段连运，结构化学基础(第四版)，北京大学出版社， 2008 2. 西北大学《结构化学》精品课程网站 /jghx 3. 周公度，段连运，结构化学习基础题解析(第四版)，北京大学出版社，2008 4. 徐光宪，物质结构(第二版)，高等教育出版社，1987 5. 李炳瑞编著，结构化学，北京：高等教育出版社，2004 6. 林梦海等编，结构化学(第二版)，北京：科学出版社，2008 7. R. McWeeny, C.A. Coulson著，原子价，余敬曾译，科学出版社，1986 8. 徐森，物质结构目标教学辅导，上海科技文献出版社，32开， 1989（推荐）
基本知识已广泛地应用于化学的各个领域。特别是：当
今化学早已进入纳米空间(10-9m)、飞秒时间(10-15s)时代，结构化学知识越显重要，很多学科领域都与结构化学知识密切相关。 2.2.1 反应机理的研究 2.2.2 人工模拟生物固氮催化剂的合成
2.2.3 新材料、新药的合成
7
绪论
2.2.1 反应机理的研究反应机理研究是一个既古老而又有很多问题尚不清楚的学科。美国 R.Hoffmann 和日本Kenich Fukui分别提出了分子轨道对称守恒原理和前线轨道理论，为此他们获得了1981 年诺贝尔化学奖。由李远哲教授等（李远哲，D. R. Herschbach，J. Polanyi）创立的交叉分子束反应是研究微观反应机理的重要实验手段，为此他们获得了1986年诺贝尔化学奖。常规的宏观动力学方法有时很难确定一些反应的具体微观机理，只能是一种推断。 8
m 1
过渡态
400
300
209 389